Гомотетия

Подробности

Категория: Геометрия

Документальные учебные фильмы. Серия «Геометрия».

 Преобразование плоскости называется преобразованием подобия или просто подобием, если существует такое число , что для любых двух точек А и В и их образов А' и В' выполняется равенство . Число называется коэффициентом подобия.
 При =1 преобразование подобия сохраняет расстояния, т. е. является движением. Следовательно, движение — частный случай преобразования подобия. Рассмотрим пример преобразования подобия, отличного от движения.
 Зададим точку М₀ и вещественное число . Каждой точке М плоскости поставим в соответствие точку М' так, чтобы

                (1)

Такое отображение является преобразованием плоскости и называется гомотетией. Точка М₀ называется центром гомотетии, а число m — коэффициентом гомотетии. Докажем, что гомотетия — преобразование подобия. Действительно, пусть М₁, М₂ — произвольные точки плоскости, а и — их образы. Из равенства (1) получаем: , поэтому

.               (2)

 Отсюда получаем: . Таким образом, гомотетия с коэффициентом m является преобразованием подобия с коэффициентом подобия .
 При m = 1 из равенства (1) получаем: . Отсюда следует, что любая точка М плоскости совпадает с ее образом, т. е. гомотетия с коэффициентом m = 1 является тождественным преобразованием. При m = — 1 из равенства (1) получаем, что гомотетия — центральная симметрия. В остальных случаях (т. е. когда ) гомотетия — преобразование подобия, отличное от движения, т. е. преобразование плоскости, не сохраняющее расстояния между точками.

 Выберем ортонормированный репер (О, Е₁, E₂) так, чтобы точка О совпала с центром гомотетии. Если М (х, у) —произвольная точка плоскости, а точка M′ (х', у') — ее образ, то из формулы (1) получаем аналитическое выражение гомотетии:
.            (3)

  Рассмотрим простейшие свойства гомотетии.

1) Гомотетия с коэффициентом переводит прямую, не проходящую через центр гомотетии, в параллельную ей прямую, а прямую, проходящую через центр гомотетии, — в себя.

□    Пусть Ах+Ву+С = 0 — уравнение данной прямой . Подставив сюда значения х, у из (3), получаем уравнение образа этой прямой: Ах'+By'+Сm = 0. Этим уравнением определяется прямая. Если С ≠ 0, то ||, а если С = 0, то и  совпадают.

2) Гомотетия сохраняет простое отношение трех точек.

□    Пусть А, В и С — три точки прямой, а А′, В' и С' — их образы, и . По определению простого отношения трех точек имеем: . По формуле (2) получаем: , где m — коэффициент гомотетии. Следовательно, . Таким образом, , т. е. (АВ, С) = (А'В', С').

Из этих свойств следует, что гомотетия переводит отрезок в отрезок, луч в луч и полуплоскость в полуплоскость.

3) Гомотетия переводит угол в равный ему угол.

□    Пусть ВАС — данный угол, а В′ А′ С' — образы точек В, А и С. По формуле (2) получаем:

.      (4)

Отсюда следует, что

4) Гомотетия сохраняет ориентацию плоскости.

□ Пусть (А, В, С) — произвольный репер, а (А′, В', С') — его образ. Используя формулы (4), получаем: . Итак, в гомотетии любой репер и его образ ориентированы одинаково, т. е. гомотетия сохраняет ориентацию плоскости. 

 Нетрудно доказать, что если и  — преобразования подобия с коэффициентами и , то — преобразование подобия с коэффициентом . Действительно, является преобразованием плоскости. Докажем, что для любых двух точек А и В и их образов A' = () (А), B' = () (В) выполняется равенство A'B'=AB. Если А₁=(А), B₁=(B), то А' = (А₁), B' = (B₁). По определению подобия А₁В₁ = АВ, А'В' = A₁B₁, поэтому А'В' = AB.

 Теорема 1. Пусть — преобразование подобия с коэффициентом , a h — гомотетия с тем же коэффициентом и с центром в произвольной точке М₀. Тогда существует одно и только одно движение такое, что

.                 (5)

Рассмотрим преобразование

             (6)

Оно является преобразованием подобия с коэффициентом , т.е. движением. Из равенства (6) получаем: , или . Таким образом, существует движение , удовлетворяющая условия (5).

Пусть теперь  — произвольное движение, удовлетворяющее равенству . Отсюда получаем: . Учитывая равенство (6), мы приходим к выводу, что = .

   Гомотетия обладает всеми свойствами 1° — 8° движений. Доказанная теорема позволяет заключить, что и преобразование подобия обладает теми же свойствами. Следовательно, имеет место утверждение: преобразование подобия прямую переводит в прямую, параллельные прямые — в параллельные прямые, сохраняет простое отношение трех точек, полуплоскость переводит в полуплоскость, отрезок — в отрезок, луч — в луч. Преобразование подобия угол переводит в равный ему угол, а перпендикулярные прямые — в перпендикулярные прямые.
 Итак, доказано, что любое преобразование подобия можно представить в виде (5): , где — движение, a — гомотетия. Так как  сохраняет ориентацию плоскости, т. е. любой репер переводит в репер той же ориентации, то если сохраняет ориентацию плоскости, то, очевидно, и сохраняет ориентацию плоскости, а если меняет ориентацию плоскости, то и меняет ориентацию плоскости. Таким образом, любое преобразование подобия либо сохраняет ориентацию плоскости, либо меняет ее ориентацию. В первом случае оно называется преобразованием подобия первого рода, а во втором случае — преобразованием подобия второго рода.

   Пусть — преобразование подобия коэффициентом . Выберем прямоугольную систему координат и найдем аналитическое выражение преобразования в системе . Для этого рассмотрим гомотетию с центром О и коэффициентом и воспользуемся теоремой 1. Пусть - движение, удовлетворяющее равенству (5). Запишем в системе аналитические выражения преобразований и :

Таким образом, если М (х, у) — произвольная точка плоскости, а М'(х′, у') — ее образ в преобразовании то

          (7)

где =1, если — преобразование подобия первого рода, и = — 1, если — преобразование подобия второго рода. Используя формулы (7), докажем теорему.

 Теорема 2. Любое преобразование подобия, отличное от движения, имеет одну и только одну неподвижную точку.

□ Пусть равенства (7) — аналитическое выражение данного преобразования подобия. Точка М (х, у) является неподвижной точкой этого преобразования тогда и только тогда, когда

Рассмотрим определитель этой системы. Если =1, то , а если = — 1, то . Таким образом, при для любого имеем: . Отсюда следует утверждение теоремы.
 Следствие. Любое преобразование подобия, имеющее более чем одну неподвижную точку или не имеющее неподвижных точек, является движением.
 Используя доказанную теорему и ее следствие, можно провести классификацию преобразований подобия в зависимости от наличия неподвижных точек и инвариантных прямых.
А. Классификация преобразований подобия первого рода. Пусть f — преобразование подобия первого рода. Если f имеет более чем одну неподвижную точку или не имеет неподвижных точек, то по следствию предыдущей теоремы оно является движением, поэтому — параллельный перенос.
 Остается рассмотреть случай, когда преобразование с коэффициентом имеет только одну неподвижную точку, которую обозначим через О. Пусть — гомотетия с коэффициентом и центром О. По теореме 1 существует такое движение , что . Так как и — подобия первого рода, то — движение первого рода, причем . Таким образом, — поворот вокруг точки О. Возможны три случая.

1)     — тождественное преобразование. В этом случае , т. е. — гомотетия с положительным коэффициентом , .

2)     — центральная симметрия. Ясно, что в этом случае — гомотетия с отрицательным коэффициентом .

3)     — вращение на угол ; . В этом случае является произведением гомотетии на вращение . Оно называется центрально-подобным вращением.

Таким образом, преобразование подобия, имеющее только одну неподвижную точку, является либо гомотетией с коэффициентом , либо центрально-подобным вращением.

В. Классификация преобразований подобия второго рода. Пусть — преобразование подобия второго рода. Если  имеет более чем одну неподвижную точку или не имеет неподвижных точек, то по аналогии со случаем А мы приходим к выводу, что преобразование является либо осевой симметрией, либо скользящей симметрией.
 Рассмотрим случай, когда преобразование подобия с коэффициентом имеет только одну неподвижную точку О. Ясно, что , так как в противном случае — движение второго рода, но оно не может иметь только одну неподвижную точку. Пусть — гомотетия с коэффициентом к и центром О. По теореме 1 , где — движение второго рода. Точка О — неподвижная точка движения , поэтому  — осевая симметрия. В этом случае называется центрально-подобной симметрией.

 Итак, существует шесть типов преобразования подобия, которые приведены в следующей таблице:

  Преобразование пространства называется преобразованием подобия или просто подобием, если существует такое число , что для любых двух точек А и В и их образов А' и В' выполняется равенство . Число называется коэффициентом подобия.
 При преобразование подобия сохраняет расстояния, т. е. является движением. Следовательно, движение — частный случай подобия. Примером преобразования подобия, отличного от движения, является гомотетия, которая в пространстве вводится точно так же, как и в плоскости. Зададим точку М₀ и вещественное число . Каждой точке М поставим в соответствие точку М' так, чтобы

     (1)

 Это отображение называется гомотетией с центром Мо и коэффициентом m. Для двух точек M₁ и М₂ и их образов и из формулы (1) получаем:

    (2)

Отсюда следует, что . Таким образом, гомотетия с коэффициентом m является преобразованием подобия с коэффициентом .
 Выберем ортонормированный репер (О, Е₁, Е₂, Е₃) так, чтобы точка О совпала с центром гомотетии. Если М (х, у, z)—произвольная точка пространства, а точка М' (х′, у′, z′) — ее образ, то из формулы (1) получаем аналитическое выражение гомотетии в пространстве:
  (3)

 Пользуясь формулами (3), можно доказать, что гомотетия переводит плоскость (прямую), не проходящую через центр гомотетии, в параллельную плоскость (прямую), а плоскость (прямую), проходящую через центр гомотетии,— в себя. Аналогично, пользуясь формулой (2), убеждаемся в том, что гомотетия сохраняет простое отношение трех точек. Отсюда следует, что гомотетия переводит отрезок в отрезок, луч — в луч, полуплоскость — в полуплоскость и полупространство — в полупространство. Из формулы (2) следует также, что гомотетия переводит угол в равный ему угол.
 Докажем, что гомотетия с коэффициентом m сохраняет ориентацию пространства, если , и меняет его ориентацию, если . Действительно, пусть (А, В, С, D) — произвольный репер, а (А′, В', С', D') — его образ. По формуле (2) получаем: , , поэтому

Отсюда и следует сформулированное выше утверждение.

 Теорема 1, сформулированная и доказанная (см. выше), полностью переносится на пространство, т. е. любое преобразование подобия пространства с коэффициентом является произведением гомотетии с тем же коэффициентом и произвольным центром на некоторое движение. Отсюда следует, что подобие пространства переводит плоскость (прямую) в плоскость (прямую), параллельные плоскости (прямые) —в параллельные плоскости (прямые). Подобие сохраняет простое отношение трех точек, поэтому оно переводит отрезок в отрезок, луч — в луч, полуплоскость — в полуплоскость, полупространство — в полупространство. Подобие переводит угол в равный ему угол, взаимно перпендикулярные прямые (плоскости) — во взаимно перпендикулярные прямые (плоскости).
 Точно так же, как и на плоскости, можно доказать, что любое преобразование подобия либо сохраняет ориентацию пространства, либо меняет ее. В первом случае оно называется преобразованием подобия первого рода, а во втором случае — преобразованием подобия второго рода. Таким образом, гомотетия с положительным коэффициентом является преобразованием подобия первого рода, а гомотетия с отрицательным коэффициентом (в частности, центральная симметрия, ) — преобразованием подобия второго рода.